Vorrichtung zur Erwärmung eines in einem Vorratsbehälter bevorrateten Fluids, Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung dient der Erwärmung eines in einem Vorratsbehälter bevorrateten Fluids, wobei es sich insbesondere um Wasser, um einen Kraftstoff oder um ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung, handeln kann. Die vorgeschlagene Vorrichtung gelangt daher insbesondere in Verbindung mit einem Wasser-, Kraftstoff- oder

Reduktionsmitteltank zum Einsatz, und zwar bevorzugt in einem Kraftfahrzeug.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen

Vorrichtung.

Stand der Technik

Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser oder wässrige Lösungen, gefrieren bei tiefen Außentemperaturen. Werden sie an Bord eines Kraftfahrzeugs in einem Vorratsbehälter bevorratet, gilt es Maßnahmen zu treffen, die ein Gefrieren der Flüssigkeit verhindern bzw. ein Auftauen der Flüssigkeit ermöglichen, so dass zumindest ein Teil der bevorrateten Flüssigkeitsmenge bei Bedarf einsatzbereit ist. Derartige Maßnahmen sehen beispielsweise die Verwendung elektrischer Heizelemente vor, die zur Erwärmung der bevorrateten Flüssigkeit im oder am Vorratsbehälter befestigt werden. Dabei gilt es sicherzustellen, dass die

Heizelemente nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit gelangen, um eine Korrosion und/oder Kurzschlüsse zu verhindern. In der Regel werden daher die

Heizelemente durch Umspritzungen oder Einhausungen vollständig gegenüber der Flüssigkeit abgedichtet. Das Umspritzen von elektrischen Heizelementen ist nicht unproblematisch. Insbesondere kann es zu einer Verschiebung des zu umspritzenden

Heizelements aufgrund hoher Spritzdrücke kommen. Eine gleichmäßige

Umspritzung ist dann nicht mehr gewährleitet. Ferner können sich Risse bilden, insbesondere an Bindenähten, so dass keine vollständige Abdichtung erreicht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erwärmung eines in einem Vorratsbehälter bevorrateten Fluids anzugeben, das ein Heizelement und eine das Heizelement umhüllende Abdichtung umfasst, wobei die Abdichtung in der Weise ausgeführt ist, dass die vorstehend genannten Probleme nicht auftreten oder zumindest deutlich gemindert werden.

Zur Lösung der Aufgabe werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7

vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die zur Erwärmung eines in einem Vorratsbehälter bevorrateten Fluids vorgeschlagene Vorrichtung umfasst mindestens ein elektrisches Heizelement und eine das Heizelement umhüllende Abdichtung. Erfindungsgemäß besteht die Abdichtung einerseits aus einer Folie, andererseits aus einer Kunststoff- Umspritzung, wobei die Folie und die Kunststoff-Umspritzung zumindest bereichsweise stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verklebt sind.

Durch die stoffschlüssige Verbindung von Folie und Kunststoff-Umspritzung wird das Heizelement vollständig abgedichtet. In Abhängigkeit vom Material der Folie und/oder der Kunststoff-Umspritzung kann die stoffschlüssige Verbindung durch Verschweißen und/oder Verkleben erreicht werden. Die stoffschlüssige

Verbindung wirkt Undichtigkeiten im Verbindungsbereich entgegen. Da die Abdichtung an einer Seite durch eine Folie gebildet wird, kann eine Abdichtung erzielt werden, die zumindest einseitig besonders dünnwandig ist. Dadurch wird der Wärmeübergang verbessert. Beim Umspritzen lassen sich in der Regel derart dünne Wandstärken nicht erreichen, da die Wanddicke mit dritter Potenz in den Fließwiderstand und damit in den erforderlichen Spritzdruck beim Umspritzen eingeht. Das heißt, dass eine bestimmte Mindestwandstärke vorgegeben ist. Die dünne Folie gewährleistet zudem eine gleichbleibende Wandstärke der Abdichtung auf der Folienseite.

Bevorzugt ist die Folie aus mindestens einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise aus Polyethylen und/oder Polypropylen, gefertigt. Das heißt, dass die Folie erweicht bzw. angeschmolzen werden kann, um die stoffschlüssige Verbindung mit der Kunststoff-Umspritzung herzustellen. Bevorzugt wird eine Folie aus HDPE C.high density" Polyethylen) verwendet, da diese besonders robust ist. Ferner kann der thermoplastische Kunststoff Füllstoffe, wie

beispielsweise Bornitride, Glasfasern, Glaskugeln, Mineralien und/oder Ruß, enthalten. Über die Füllstoffe kann auf bestimmte Eigenschaften der Folie Einfluss genommen werden. Durch Zugabe von Füllstoffen kann beispielsweise eine Verstärkung der Folie bewirkt werden, zugleich wird die thermische

Leitfähigkeit verbessert.

Weiterhin bevorzugt weist die Folie eine Dicke auf, die 0,2 mm bis 3 mm, vorzugsweise 0,3 mm bis 2 mm, beträgt. Über die Folie wird demnach eine dünnwandige Abdichtung erreicht, die einen optimalen Wärmeübergang gewährleistet.

Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann ferner eine adhäsive Folie verwendet werden, die einen dauerhaften Kontakt der Folie mit dem Heizelement gewährleistet. Die flach am Heizelement anhaftende Folie neigt zudem weniger zum Schwinden, so dass die Gefahr eines Ablösens deutlich verringert ist.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Kunststoff-Umspritzung aus mindestens einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise aus Polyethylen, insbesondere HDPE, und/oder Polypropylen, hergestellt ist. Der

thermoplastische Kunststoff kann Füllstoffe, wie beispielsweise Bornitride, Glasfasern, Glaskugeln, Mineralien und/oder Ruß, enthalten, um beispielsweise die Verarbeitungseigenschaften des Kunststoffs und/oder die Eigenschaften der hieraus hergestellten Umspritzung zu verbessern. Vorteilhafterweise ist die stoffschlüssige Verbindung über eine umlaufende

Schweiß- und/oder Klebekontur hergestellt, die vorzugsweise im Bereich zumindest einer elektrischen Kontaktierungsstelle des Heizelements

unterbrochen ist. Die umlaufende Schweiß- und/oder Klebekontur gewährleistet eine vollständige Abdichtung des Heizelements. Um die erforderliche elektrische Kontaktierung des Heizelements herzustellen, kann die umlaufende Schweißoder Klebekontur im Bereich einer Kontaktierungsstelle unterbrochen. Die Kontaktierung kann insbesondere über einen durch die Abdichtung hindurch nach außen geführten Draht oder Pin erfolgen, so dass auch die

Kontaktierungsstelle abgedichtet ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Abdichtung einen Stecker oder eine Steckeraufnahme ausbildet. Der Stecker bzw. die

Steckeraufnahme erleichtern die elektrische Kontaktierung des Heizelements. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ein metallisches Widerstandsheizelement, insbesondere in Form eine Leiterplatte oder eines Stanzgitters, und/oder ein Keramikheizelement als elektrisches Heizelement. Ein solches, vorzugsweise flächiges Heizelement kann besonders einfach mit Kunststoff umspritzt bzw. überspritzt werden, wenn die Vorderseite aus einer Folie gebildet wird. Bevorzugt wird hierzu das Heizelement auf die Folie aufgelegt und um- bzw. überspritzt. Um eine Verschiebung des Heizelements gegenüber der Folie zu verhindern, kann das Heizelement temporär fixiert werden. Die Fixierung kann beispielsweise mittels mindestens eines Magneten bewirkt werden, wenn das Heizelement zumindest teilweise aus einem metallischen, magnetischen und/oder

magnetisierbaren Material gefertigt ist. Der mindestens eine Magnet erlaubt eine

Fixierung durch die Abdichtung hindurch, so dass diese nicht durchstoßen oder unterbrochen werden muss. Alternativ oder ergänzend kann die temporäre Fixierung des Heizelements auch durch eine vorhergehende Prägung der Folie in Form des Heizelements bewirkt werden, die ein Einlegen des Heizelements ermöglicht. Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wir ferner ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, das heißt ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, die zur Erwärmung eines in einem Vorratsbehälter bevorrateten Fluids einsetzbar ist und mindestens ein

elektrisches Heizelement sowie eine das Heizelement umhüllende Abdichtung umfasst. Zur Herstellung der Abdichtung wird erfindungsgemäß das elektrische Heizelement auf eine Folie angeordnet und anschließend mit einem Kunststoff umspritzt. Dabei wird eine Kunststoff- Umspritzung ausgebildet, die

bereichsweise mit der Folie stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verklebt, ist. Die Verwendung einer Folie erleichtert die Herstellung der Vorrichtung, da das auf der Folie angeordnete Heizelement nur noch überspritzt werden muss, um eine das Heizelement vollständig umhüllende Abdichtung zu schaffen. Ferner kann eine Abdichtung geschaffen werden, die zumindest einseitig, und zwar auf der Seite der Folie, besonders dünnwandig ausgebildet ist. Durch die dünnwandige Abdichtung wird der Wärmeübergang optimiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht somit ein allseitiges Umspritzen entbehrlich. Beim allseitigen Umspritzen werden die Einlegeteile üblicherweise mittels ziehbarer Kerne in einer Kavität gehalten. Während des Umspritzens bzw. während des Füllens der Kavität werden die Kerne gezogen. Der Zeitpunkt des Ziehens der Kernzüge ist über das verarbeitete Spritzvolumen oder über Druckbzw. Temperatursensoren in der Kavität festzulegen. Dennoch kommt es aufgrund verfahrenstypischer Prozessschwankungen häufig zu einer

Verschiebung der Einlegeteile, insbesondere bei zu frühem Ziehen der Kerne. Ferner kann es zu Fehlstellen kommen, wenn die Kerne zu spät gezogen werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr allseitig umspritzt werden muss, treten die damit in Zusammenhang stehenden Probleme nicht mehr auf.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Stoffschluss zwischen der Folie und der Kunststoff-Umspritzung vorzugsweise durch Anschmelzen der Folie beim Um- bzw. Überspritzen des Heizelements mit Kunststoff erreicht. Bevorzugt wird eine Folie verwendet, die aus mindestens einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise Polyethylen und/oder Polypropylen, gefertigt ist. Das heißt, dass die Folie erweicht bzw. angeschmolzen werden kann, um die stoffschlüssige Verbindung mit der Kunststoff-Umspritzung herzustellen. Bevorzugt wird eine Folie aus HDPE („high density" Polyethylen) verwendet, da diese besonders robust ist. Ferner können dem thermoplastischen Kunststoff Füllstoffe, wie beispielsweise Bornitride, Glasfasern, Glaskugeln, Mineralien und/oder Ruß, zugegeben werden. Über die Füllstoffe kann auf bestimmte Eigenschaften der Folie Einfluss genommen werden. Durch Zugabe von Füllstoffen kann beispielsweise eine Verstärkung der Folie bewirkt werden, zugleich wird die thermische Leitfähigkeit verbessert.

Des Weiteren bevorzugt wird eine Folie verwendet, deren Dicke 0,2 mm bis 3 mm, vorzugsweise 0,3 mm bis 2 mm, beträgt. Auf diese Weise kann eine - zumindest einseitig - besonders dünnwandige Abdichtung hergestellt werden.

Beim Um- bzw. Überspritzen des Heizelements wird vorzugsweise ebenfalls ein thermoplastischer Kunststoff, wie beispielsweise Polyethylen, insbesondere HDPE, und/oder Polypropylen, verwendet. Um die Verarbeitungseigenschaften des Kunststoffs und/oder die Eigenschaften der hieraus hergestellten Kunststoff- Umspritzung zu beeinflussen, können dem thermoplastischen Kunststoff Füllstoffe, wie beispielsweise Bornitride, Glasfasern, Glaskugeln, Mineralien und/oder Ruß, zugegeben werden. Die Vorteile derartiger Füllstoffe wurden vorstehend bereits erwähnt.

Bei der Herstellung der Vorrichtung wird bevorzugt das Heizelement in der Weise auf der Folie angeordnet, dass die Folie das Heizelement umlaufend um mindestens 1 mm überragt. Der das Heizelement überragende Bereich der Folie dient als Anschmelzzone, die bei einer Breite von > 1 mm eine dichte

Verschweißung mit der Kunststoff-Umspritzung ermöglicht.

Um eine Verschiebung des auf der Folie angeordneten Heizelements beim Um- bzw. Überspritzen zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass das Heizelement zumindest temporär fixiert wird. Vorzugsweise wird die Fixierung mittels mindestens eines Magnets bewirkt. Eine Fixierung mittels eines Magnets ist insbesondere dann möglich, wenn das Heizelement zumindest teilweise aus einem metallischen, magnetischen und/oder zumindest magnetisierbaren Material gefertigt ist. Die Fixierung mittels eines Magnets besitzt den Vorteil, dass die Abdichtung, insbesondere im Bereich der Folie, nicht durchstoßen werden muss. Alternativ kann zur temporären Fixierung des Heizelements eine Prägung in die Folie eingebracht werden, die der Form des Heizelements entspricht und ein Einlegen des Heizelements ermöglicht.

Beim Umspritzen des Heizelements mit Kunststoff wird vorzugsweise eine umlaufende Schweiß- und/oder Klebekontur hergestellt, die weiterhin

vorzugsweise im Bereich mindestens einer elektrischen Kontaktierungsstelle des Heizelements unterbrochen ist. Auf diese Weise wird eine das Heizelement vollständig umhüllende Abdichtung erreicht, die - sofern überhaupt - nur im Bereich der Kontaktierungsstelle unterbrochen ist. Die Kontaktierungsstelle ermöglicht die erforderliche elektrische Kontaktierung des Heizelements. Zur Herstellung der Kontaktierung kann beispielsweise ein Draht oder ein Pin durch die Abdichtung hindurch nach außen geführt werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Abdichtung im Bereich der

Kontaktierungsstelle einen Stecker oder eine Steckeraufnahme ausbildet. Auf diese Weise kann die erforderliche elektrische Kontaktierung des Heizelements weiter vereinfacht werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine in ein Werkzeug eingelegte Folie mit hierauf angeordnetem Heizelement zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch ein Werkzeug zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch ein alternatives Werkzeug zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die in dem Werkzeug der Fig. 4 hergestellt worden ist.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Die in der Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein elektrisches Heizelement 1 und eine das Heizelement 1 umhüllende Abdichtung 2. Die Abdichtung 2 wird durch eine Folie 3 und eine Kunststoff- Umspritzung 4 gebildet, die im Bereich einer umlaufenden Schweißkontur 5 stoffschlüssig verbunden sind. Auf diese Weise wird eine das Heizelement 1 vollständig umhüllende Abdichtung 2 erreicht. Zur elektrischen Kontaktierung des

Heizelements 1 ist ein mit dem Heizelement 1 verbundener Pin 12 durch die Abdichtung 2 hindurch nach außen geführt. Der Pin 12 definiert somit eine Kontaktierungsstelle 6, im Bereich welcher die Abdichtung 2 unterbrochen ist. Um den Pin 12 herum formt die Abdichtung 2 einen Stecker 7 aus.

Anhand der nachfolgenden Figuren 2 bis 4 wird das zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagene Verfahren erläutert.

Der Fig. 2 ist eine in ein Werkzeug 9 eingelegte Folie 3 mit einem hierauf angeordneten elektrischen Heizelement 1 in Form eines metallischen

Stanzgitters zu entnehmen. Die Folie 3 ist größer als das Heizelement 1 gewählt, so dass sie das Heizelement 1 allseitig um mindestens 1 mm überragt. Lediglich im Bereich einer Kontaktierungsstelle 6 sind zwei Gitterstäbe des Stanzgitters nach außen geführt.

Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, wird anschließend das Werkzeug 9

geschlossen, wobei ein Hohlraum oberhalb und seitlich des Heizelements 1 verbleibt. Über einen Anspritzpunkt 10 wird anschließend ein thermoplastischer Kunststoff in den Hohlraum eingespritzt, der aufgrund des Einspritzdrucks das Heizelement 1 umströmt, so dass der Hohlraum um das Heizelement 1 vollständig mit dem thermoplastischen Kunststoff ausgefüllt wird. Um beim Umspritzen eine Verschiebung der Folie 3 zu verhindern, ist diese im Bereich eines Klemmpunktes 11 im Werkzeug 9 eingeklemmt.

Die beim Umspritzen über den thermoplastischen Kunststoff eingebrachte Wärme führt zum Anschmelzen der Folie 3, so dass zumindest im Bereich der umlaufenden Schweißkontur 5 eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Folie 3 und der Kunststoff-Umspritzung 4 erreicht wird.

Das Werkzeug 9 ist dergestalt, dass beim Umspritzen des Heizelements 1 mit dem thermoplastischen Kunststoff im Bereich der Kontaktierungsstelle 6 zugleich ein Stecker 7 mit angeformt wird.

Wie in der Fig. 4 schematisch dargestellt, kann bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch das Heizelement 1 temporär fixiert werden, so dass einer Lageverschiebung des Heizelements 1 gegenüber der Folie 3 beim Umspritzen mit Kunststoff entgegengewirkt wird. Die temporäre Fixierung des Heizelements 1 wird in der Fig. 4 mittels Magnete 8 bewirkt, die in das Werkzeug 9 eingelassen sind. Die Magnetkraft der Magnete 8 wirkt durch die Folie 3 hindurch auf das Heizelement 1, das vorliegend als metallisches

Stanzgitter ausgebildet ist.

Nach dem Umspritzen mit Kunststoff, muss dieser aushärten. Anschließend kann die Vorrichtung dem Werkzeug 9 entnommen werden. Das Verfahrensprodukt ist eine Vorrichtung, umfassend ein Heizelement 1 und eine das Heizelement 1 vollständig umhüllende Abdichtung 2, wie beispielhaft in der Fig. 5 dargestellt.